NB-IoT 低功率窄带物联网接入技术分析

赵 东

（华北电力大学，北京 102206）

0 引言

在物联网的连接过程中，NB-IoT 低功率窄带连接技术是一种十分先进的连接技术，该技术可以让智能设备和物联网之间实现远距离、多终端的连接。因此，在物联网连接技术的研究中，相关学者和技术人员应加大力度对此项技术进行研究，以此来提升连接效果，降低成本，促进物联网技术的飞速发展。

1 移动蜂窝物联网概述

目前，以现有的蜂窝网络为基础的物联网技术是物联网中的一个重要分支，而其中的NB-IoT 便是将现有无线网络作为基础，实现物和物之间网络覆盖效果进一步提升的一种先进技术。该技术不仅可以为多个终端的连接提供支持，同时也可以支持更低功能的终端，在个人领域、公共领域、家庭领域以及行业领域中都十分适用。在移动蜂窝物联网中，主要的架构层次有三层，其一是感知层，其二是网络层，其三是应用层，以下是其总体架构示意图：

图1 移动蜂窝物联网总体架构示意图

2 NB-IoT 基本原理分析

2.1 帧结构分析

为实现基带以及射频复杂性的有效降低，使其为GSN 频率再利用提供足够便利，NB-IoT 系统中的带宽需要和GSM 保持一致，都属于200kHz 形式的带宽，具体应用中，NB-IoT 所应用的带宽仅仅是180kHz。同时，NB-IoT 有着和传统LTE 相同的下行帧结构，也就是在一个10ms 的无线帧中包含十个1ms 长度的子帧，每一个子帧中包含着两个0.5ms 长度的时隙。NB-IoT 在下行方面所支持的子帧波载间隔仅仅为15kHz，并不会对7.5kHz 形式的子载波间隔提供支持，且仅仅对常规形式的CP 提供支持，不会对扩展形式的CP 提供支持。

在NB-IoT 中，上行的帧结构主要有两种可供选择，其一是子载波带宽是15kHz 形式的帧结构，其二是下行LTE 形式的帧结构，在每一个10ms 形式的无线帧内，包含的1ms 子帧个数为十个；在一个180ms 带宽上，其子载波个数共有12个。在当今，已经有一种新的帧结构出现，其子载波的带宽是3.75kHz，在每一个10ms 形式的无线帧内，可包含的2ms 时隙共有五个，在一个180ms带宽上，其子载波个数共有48个[1]。

NB-IoT 的下行接入技术是OFDMA 形式的多址接入，在频域之内，其带宽是200kHz，两边都需要作出10kHz 的保留，所以实际占用的带宽是180kHz，子载波的带宽是15kHz，数据是12个。而在时域重用形式的LTE 帧结构中，每一个时隙长度是0.5ms，每一个时隙中的符号数量是7个，每一个子帧中含有的时隙数量是2个，每一个无线帧内所包含的子帧个数是10个，每一个超帧中所包含的无损帧数量是1024个[2]。

2.2 物理信道分析

为有效降低复杂性，在NB-IoT 的设计中，将不必要的物理信道进行了精简处理，仅仅保留了三种下行物理信道、两种下行参数信号、两种上行物理信道以及一种上行参数信号，具体情况如下：

（1）窄带物理广播信道（NPBCH）：该信道主要进行系统帧号、NB-SIBI 中的调度信息、操作模式以及接入限制等的这些信息传递，其调制方式为QPSK。

（2）窄带物理下行控制信道（NPDCCH），该信道主要进行NPUSCH、NPDSCH 传输格式以及资源分配等的这些信息指示，其调制方式是QPSK。

（3）窄带物理下行共享信道（NDDSCH），该信道仅仅对QPSK 提供支持，其TBS 的最大值为680bits，借助于多次的传输形式来实现下行覆盖的增加。

（4）窄带参考信号（NBS）该信号主要用来对下行信道进行信道估计以及质量测量，可对NB-IOTUE 进行相关的解调和检测。

（5）窄带同步信号{NSS}：该信号主要的功能是对小区惟一的物理小区号PCI 进行确定，同时也可以实现时间同步。

以下是NB-IoT 最大的上下行链路损耗情况：

表1 NB-IoT最大的上下行链路损耗情况

3 NB-IoT 应用部署分析

为实现NB-IoT 物联网连接技术的合理应用，本文以中国移动为例，对其应用部署进行分析，具体情况如下：

3.1 频率的应用部署

NB-IoT 仅仅可以为半双工形式的FDD 模式提供支持，就目前来看，中国移动的FDD 可用频段有两个，第一是900MHz，第二是1800MHz。因为物联网设备在当今已经随处可见，所以此类设备对于覆盖能力的要求会比手机更高一些，相比较1800MHz 这一频段而言，900MHz 有着更好的覆盖能力，所以在中国移动进行NB-IoT 部署的过程中，900MHz 为首选频段。且NBIoT 的载波带宽仅需要180kHz，所以900MHz 这一频段所具备的释放能力完全可以满足其实际应用需求。

在当今，900MHz 是中国移动对LTEFDD 拍照获取之后的主要部署频段，所以在具体的部署过程中，不仅需要对NB-IoT 需求加以考虑，同时也需要对LTEFDD以及GSM 的需求加以综合考虑，以此来实现其应用策略的统一制定。

3.2 建设方式

NB-IoT 的主要建设方式有三种，其一是NB-IoT 基站建设，其二是将TD-LTE 作为基础进行NB-LoT 基站的建设，第三是将GSM 作为基础来进行NB-IoT 基站的建设。但是因为第一种方法需要耗费大量的资金成本，第二种方法替换难度很大，所以在具体的建设过程中，中国移动应选择第三种方法来进行建设，也就是将GSM作为基础来进行NB-IoT 基站的建设。

3.3 站址选择

基于移动物联网实际需求的考虑，在初期的站址选择中，应保障其覆盖区域的连续性，相比较传统形式的GSM900而言，NB-IoT 所能覆盖的最大距离相当于其两倍，且GSM 在城区的站点间距会远远小于其最大的覆盖距离。所以，中国移动只需要在少量的GSM 站点上进行少量的NB-IoT 部署即可有效满足连续性的覆盖需求。在物联网的具体应用中，城区是重点的部署区域，所以在具体的站址选择中，中国移动需要遵循先城区再农村的方式进行部署。具体部署中，可以先将城区内的45%GSM 站址用来进行NB-IoT 部署，这样便可保障其连续覆盖，并结合后续的发展需求进行进一步的部署。

4 结束语

综上所述，在物联网的连接技术中，NB-IoT 是一种先进的连接技术，该技术可以为广域网内的低功耗设备应用提供支持，以此来实现蜂窝形式的数据连接。因此，在物联网连接技术的应用与研究中，我们应加大力度进行NB-IoT 连接技术的研究，全面掌握其技术原理，并结合实际情况和实际需求，通过合理的方式来进行应用部署。这样才可以实现其应用价值的进一步发挥，促进物联网技术的良好发展。